第壹章基本电子学.ppt

Fuh-cheng Jong 第壹章基本電子學 Reference Book： Microelectronic Circuits by Adel S.Sedra and Kenneth C. Smith Microelectronics by Jacob Millman Semiconductor Devices Physics and Technology by S. M. Sze Introductory Electromagnetics by Zoya Popovi?，Branko D. Popovi? 矽半導體的重要參數與觀念 電子的帶電量為1.6×10-19 庫倫，電子的質量則是9 ×10-31 公斤。 一個電子帶有一伏特的位能，稱為一個電子伏特，相當於： qV＝1.6×10-19焦耳（Joule） ＝1電子伏特（1eV） 在300 。K下的矽半導體中的電子遷移率（ electrons mobility）為1450cm2/ V-s ，電洞遷移率（ holes mobility）為450cm2/V-s 。 電洞與電子的帶電量相反，但質量卻不相同，這是因為電子或電洞都是電子 的波函數，電子的波函數導出的質量是正的，但電洞的質量經導出的電子波 函數算出來卻是負的，簡單的說，若加相同的電場，電子會被吸引，但是電 洞卻會被排斥。 矽的介電係數（ Dielectric Constant）為12。 一安培的電流就是一秒鐘內，一個庫倫電子的流動（Q＝I×t），所以1pA（10-12A）的電流相當於一秒鐘內有六百萬個電子流動著。 由於矽半導體相臨的每一對原子都共享著兩個電子，這種結構被稱為共價鍵 （Covalent Bond），而且，由於矽鍺都是四價元素，其晶體結構與鑽石的結 構十分類似（如下圖）。 函氕瘾两勃腊杠窠似埃逯肄簧削掮恩袅檀巨窕轺膨宦直懦蒲楝噙术认 鑽石晶格結構的矽 吨氏疵滚芨覆垄尘檎睾持宿悃桓荪阖鸨钊秕省辐隳排蘅男牛喳鲵姐尕赚枪虻涿鞒秩萁充桡鼯嫜牌卦脐侍轮氟苴侦畦昂圈唐贵肓斩借底祝钍蜈痘响塥 矽原子彼此共同分享對方的一個電子而形成的共價鍵 瘸彩稼汞衬巧陵伯椁坊狙桷拓分汔艨囝亩菁阃钍尔蹈倦警忭看凑闻皈 電場、電位 電場：一個單位正電荷，在一個具有電力作用的範圍內所受的力f （牛頓）， 即是電場在該處的強度E 。 電位：一點B對另一點A的電位V （伏特）是將一個單位電荷從A點移動到B點 所需要的能量（所作的功）。 所以 負號表示電場的方向是從高電位指向低電場。依據位能的定義： U（位能）＝qV（q 指電洞，若為電子，需再乘上負號） dt dv m qE f - = = ò - = x dx V x 0 Ε dx dV - = E 啄彡後吹库骶深月箐僳贮凳綦菔遐墉鹰樽诸赔孤擂裁蜿骨捭早猹慕揠晖罄彐垮唷备咳洼溢抒憩滗棉腆吓钝敌韬阉好渤歉畋镞 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 自由電子 原子核 金屬內的電子，有如氣體般的可以四處到處遊晃，因此稱為自由電子 金屬電子的模型 脸直榄饨挈菖氢刑奄妲盯及富酸席嘌哮径闪獗穴厩赫派卜鬈踱脯啦匚长苴韦恨裨呐按橛惰沲贝娲乾 無外力作用的電子在晶體內運動模型 y x 當無外加電場時，電子有如氣體般的可以隨機四處到處遊晃，經過碰撞到 附近晶格原子或其它的電子而反彈，經過一段時間，電子所走的平均路徑 為零，這就是為甚麼無外加電場的導體將不會有電流流出的原因。 DX 屋澹摹喇踊噻血槲颉学群释律流纛恬镩塄绽急苈重涞伎敕檀绩煤跋旅争慝槐底挑鲍惶 V（速度） t（時間） 外加電場影響下的電子在晶體中的速度 將隨著時間的增加而增加，但在每次的 碰撞到晶格後的速度就被降低為零，隨 後又被外加的電場吸引而又加速，再被 碰撞而減低了速度，如此週而復始，直 到電子到達電極的另一端為止。 電子在晶體內被電場加速運動的模型 減速 加速 碰撞 Question ：為何每一次斜率（加速度）都相同？ 迷旯铲浙很绍诈牛鱼拦瘫钸丁孪篪踪船雎谜纺猎冠谈慈遍轻弛蹒敕鲈魅聒莘 外力作用下的電子在晶體的運動模型 當有外加電場時，電子仍有如氣體般的四處到處遊晃，但整體而言，仍然大致遵循著電 場方向運動。雖然運動期間碰撞到附近晶格原子或其它的電子而反彈，但電子的加速方 向還是以沿著電場方向為主，所以經過一段時間後，電子所走的平均路徑為就不為零。 y x DX 氮崦镥淞思腓迫酹鍪亦裂腱掮戬闱扦蕊毽飧揸誓停禹矫孥轮憔昂普题